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金属箱屏蔽性能的分析研究.rar

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    金属 屏蔽 性能 分析研究
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    科技学院 2011 届本科毕业论文金属箱屏蔽性能的分析研究专 业: 通 信 工 程 指导教师: 王 代 强 学生姓名: 田 野 学生学号: 072004111498 中国﹒贵州﹒ 贵阳2011 年 5 月贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 I 页目 录摘 要 ..........................................................................................................................IIIAbstract ........................................................................................................................IV第一章 屏蔽的目的和必要性分析 ............................................................................11.1 前言 ................................................................................................................11.2 对于金属箱的简单介绍 ................................................................................11.3 屏蔽体的设计 ................................................................................................21.4 一般设备的屏蔽 ............................................................................................31.4.1 连接部分的泄漏 ..................................................................................31.4.2 通风孔和可动机构的泄漏 ..................................................................31.4.3 孔缝的泄漏 ..........................................................................................41.5 屏蔽的目的 ....................................................................................................41.5.1 电磁干扰 ..............................................................................................51.5.2 电磁兼容 ..............................................................................................51.5.3 电磁兼容问题的来源 ..........................................................................71.6 屏蔽的必要性 ................................................................................................7第二章 金属箱电磁屏蔽的原理分析 ........................................................................82.1 电磁屏蔽原理 ................................................................................................82.2 金属屏蔽效率 ................................................................................................92.3 屏蔽效果的表示方法 ..................................................................................102.4 影响屏蔽体屏蔽效能的关键因素 ..............................................................112.5 电磁屏蔽的不足 ..........................................................................................12第三章 电磁屏蔽的技术方法 ..................................................................................133.1 屏蔽原理 ......................................................................................................133.1.1 电场屏蔽 ............................................................................................133.1.2 磁场屏蔽 ............................................................................................143.1.3 电磁场屏蔽 ........................................................................................16贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 II 页3.2 静电屏蔽 ......................................................................................................163.3 静电屏蔽理论分析 ......................................................................................17第四章 电磁屏蔽材料的比较分析 ..........................................................................194.1 铁磁材料与金属良导体材料 ......................................................................194.2 表面敷层薄膜屏蔽材料 ..............................................................................194.3 填充复合型屏蔽材料 ..................................................................................214.4 导电涂料类屏蔽材料 ..................................................................................224.5 其它屏蔽材料 ..............................................................................................22第五章 金属箱电磁屏蔽的应用实例总结 ..............................................................245.1 计算机机房的电磁屏蔽设计的必要性 ......................................................245.2 用于计算机机房的电磁屏蔽技术 ..............................................................255.3 计算机机房的电磁场的屏蔽机理 ..............................................................255.4 计算机机房电磁屏蔽的一些基本措施 ......................................................255.4.1 建筑物的自然屏蔽 ............................................................................255.4.2 电源线和信号线的屏蔽 ....................................................................265.4.3 仪器和设备的屏蔽 ............................................................................265.4.4 屏蔽材料的选择 ................................................................................27总结 ..............................................................................................................................29参考文献 ......................................................................................................................30致 谢 ............................................................................................................................31贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 III 页金属箱屏蔽性能的分析研究摘 要随着通信技术的不断发展,通信网络不断扩大。电磁干扰问题越来越突出,它对信息的传递会产生一定的影响,电子设备的电磁兼容已经被广泛关注。金属箱的电磁屏蔽性能作为抑制电磁干扰起到关键性的作用,它不仅可以解决通信设备的外观包装、支撑、防尘、防水等问题,同时也是实现电磁屏蔽的关键所在。本文将对金属箱的屏蔽性能作一定的分析研究,对金属箱的电磁屏蔽技术进行了全面,深入的研究,涉及到屏蔽的原理,屏蔽材料的选择,屏蔽技术的分析,屏蔽体的设计。阐述了金属箱屏蔽的目的和必要性,最后举出了计算机机房进行电磁屏蔽设计的具体例子,主要从机房的位置、分类、选材和设备的屏蔽措施等方面提出要求,具有一定的参考价值。关键词:电磁屏蔽;电磁兼容;屏蔽效能;屏蔽材料贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 IV 页Metal Box Analysis of shieldingAbstractWith the continuous development of communication technology, the communication network has expanded constantly. The problems of electromagnetic interference are becoming more and more prominent. And it will have an affect on the transmission of information. Electromagnetic compatibility of electronic devices has been concerned widely. The electromagnetic shielding properties of metal boxes play a key role as the suppression of electromagnetic interference. It not only can solve the appearance of telecommunications equipment packaging, support, dust, water and other issues, but also is the key of achieving the electromagnetic shielding.This thesis will do some research on the function of metal box’s electron shielding. And it also has a comprehensive and deep discussion on the technology of metal box’s electron shielding. It involved in the principles of shielding, shielding material selection, shielding analysis and the shielding design. The thesis explained the purpose and the necessity of shielding the metal box. In the end, I had given some specific examples for a computer room how to make the electromagnetic shielding design. The requirements are mainly put forward from the room's location, classification, selection of materials, the way of equipment shielding and other aspects, which have a certain reference value.Keywords: Electromagnetic shielding, Electromagnetic, Compatibility, Shielding Effectiveness, shielding materials贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 1 页第一章 屏蔽的目的和必要性分析1.1 前言近年来,随着电子技术的高度发展,各种数字化,高频化的电子设备或网络设备在人们的生活和通信技术的发展中得到广泛的应用。但是这些电子设备在工作时会向周围空间辐射大量的不同波长的电磁波,这种电磁辐射会对周围的其它电子设备产生干扰。如果不对电磁干扰加以限制并使之消除,可能会带来严重的后果。电磁干扰的产生会对信息的传输造成一定的影响。为了避免其它设备的电磁干扰,提高信息的传递质量,在网络设备不断增多的今天,每个设备自身的屏蔽就显得非常重要。特别是计算机以及网络的应用在各行各业已达到了相当的程度,使得各行业计算机中心机房担负着极其重要的任务,确保数据安全以及机房设备的正常运转与企业的效益息息相关。为了加大计算机机房设备运转的安全保障,计算机机房的电磁兼容性就显得非常重要了。现在计算机芯片的集成度在不断提高,机房内计算机系统规模庞大,设备繁多,机房周围环境中电磁干扰源也在增加,致使机房内的电磁屏蔽问题已不容忽视。本文简述了对金属箱屏蔽性能的分析研究,首先阐述了金属箱屏蔽的目的和必要性,然后简单介绍电磁屏蔽的原理,在提出了电磁屏蔽的技术方法和材料分析,最后举出计算机机房进行电磁屏蔽设计的具体例子,主要从机房的位置,分类以及选材和设备的屏蔽措施几个方面提出要求。1.2 对于金属箱的简单介绍电子仪器在工作时,会自发的向外辐射出电磁波,这种电磁波会对附近的其它电子仪器产生干扰。此外,电子仪器还会受到磁暴、太阳黑子、太阳耀斑、极光、雷电等现象所产生的自然电磁干扰。当电子仪器的外壳用金属材料制作时,上述的电磁干扰就会因为金属材料的电磁屏蔽作用而被排除。而当外壳用非金属制作时,因为不导电的非金属没有电磁屏蔽作用,上述电磁波便会透过壳体而对电子仪器的正常工作产生干扰。因此,为了保证电子仪器的正常工作,必须对非金属的电子仪器外壳采取屏蔽措施。比如,贴金属箔、改用导电塑料、镀覆各种导电层等等。这就形成了防屏蔽的金贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 2 页属箱,一方面用来防止外来电磁波的干扰,外一方面阻止仪器本身向外辐射出电磁波向外界产生的干扰。1.3 屏蔽体的设计设计一个屏蔽体,例如金属和铁等等导磁率高的材料,相对在极低频率下能达到较高的屏蔽效率。这些材料的导磁率会随着频率的增加而降低。如果初始磁场比较强也会使导磁率降低,另外就是采用机械方法将屏蔽罩做成规定的形状同样会降低磁导率。因此,选择用于屏蔽的高导磁性材料相对比较复杂,通常要向电磁干扰屏蔽材料供应商及有关咨询机构才能得出相关的解决方案。在高频电场下,采用薄层金属作为外壳或内衬材料均可达到比较良好的屏蔽效果。关键问题是,这时的条件是屏蔽必须连续,并将敏感部分完全遮盖住,没有缺口和缝隙。但是在实际中要制造出一个无缝隙及无缺口的屏蔽罩是不可能的,因为屏蔽罩要分成许多个部分进行制作,必然就会有缝隙需要接合。另外通常情况下还得在屏蔽罩上打孔以便于插卡,组装或装配组件的连线。综上所述,设计一个金属屏蔽罩的困难在于制造过程中不可避免会生产缝隙和缺口,而且在设备运行过程中还需要用到这些缝隙和缺口。面板连线、制造、通风口,外部监测窗口以及面板安装组件等都需要在屏蔽罩上打孔,从而大大降低了屏蔽的性能。尽管沟槽和缝隙不可避免,但在屏蔽设计中对与电路工作频率波长有关的沟槽长度作仔细考虑是很有必要的。任一频率电磁波的波长为:波长=光速/频率。当缝隙长度是波长的一半时,RF 波开始以 20dB/10 倍频或者 6dB/8 倍频的速率衰减。通常情况下 RF 发射频率越高衰减越严重,因为它的波长很短。如果涉及到最高频率时,必须考虑到可能出现的任何谐波,但通常只需考虑一次谐波,二次谐波即可。如果我们知道了屏蔽罩内 RF 辐射的频率及强度,就可以计算出屏蔽罩的最大允许缝隙和沟槽。如果需要对 1GHz 的辐射衰减 26dB,则 150mm 的缝隙将会开始产生衰减,因此当存在小于 150mm 的缝隙时,1GHz 辐射就会衰减。对于 1GHz 频率来讲,若需要衰减 20dB,则缝隙应小于 15mm,需要衰减 26dB 时,缝隙应小于 7.5mm。对于上述问题可以采用合适的导电衬垫使相应的缝隙大小限制在规定的尺寸内,从而实现这种衰减效果。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 3 页1.4 一般设备的屏蔽为了便于开关门,穿过电源线、控制线、输入输出信号线等等,一般设备的屏蔽体必然要开启某些部位。比如打孔等等。同时为了维修、装配、热交换方便,设备也必须要有窗孔、门等。另外,设备的金属外壳应该要有相应的接合部。这些问题都不可避免要减少金属外壳的屏蔽效果。即便是完整的屏蔽外壳,也总有旧的时候,这时面板和箱体的接触部分就会出现腐蚀,从而降低屏蔽体的屏蔽性能。更主要的问题是当设备外壳出现电接触不良时,会导致变成电磁干扰的泄漏源。1.4.1 连接部分的泄漏为了提高屏蔽的效果,往往采用屏蔽板将设备及部件全部包裹起来。但是这样做很不方便,因此通常情况下采用局部加盖或设门。虽然这种方法有长处,但是会出现泄露。虽然这种泄漏现象可以用金属板或者金属网来解决,但由于间隙中的泄漏,对整个屏蔽来说还是会有相应的影响。为了防止在连接部分产生泄漏,有时需要特殊处理接触表面的涂料。比如填充导电物质。加装金属垫圈等屏蔽材料,力争消除泄漏干扰。为了获得完善的屏蔽效果,需要注意以下几点:第一,净化连接部分。比如打磨接触面,磷化,酸洗等。第二,接触的部位要采取压力接触、铆接、粘接、需要在接触面上保持一定的压力。第三,接触的表面要有导电涂料。第四,设备的外盖,门要有锁紧装置。第五,在连接的接头上采取接头与设备外壳之间使用涂料包裹结构。插头及插座之间也应采用同样的方法。第六,传输线和设备的外壳一样,也应当采取相同程度的屏蔽。1.4.2 通风孔和可动机构的泄漏许多屏蔽设备为了散热,往往都需要在箱体上方开通风孔,或者从可动轴部分引出,这样做难免出现不连续部分。通风孔有的采用金属网,有的采用金属打孔加盖,但打孔需要注意控制开口面积,并且要求在一个波长内具有 60 根以上的导体。工作频率达到高频以上时,采用金属网不起作用,须采用波导管。波导管可以被视为高频滤波器,这样对截至频率以下的所有频率都具有衰减作用。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 4 页为了防止屏蔽设备外壳的开孔处发生泄漏,需要注意以下几点:第一,通风孔和排水孔在低频率情况下时,比如外箱上的孔径小于 3mm,这时漆泄漏相对可以忽略;对于比 3mm 打的孔径可增设细孔的金属网,其边缘可采用软焊和焊接。第二,整轴开孔。对于伸出外壳以外的金属调整轴必须采用具有导电性的密封圈或锯齿形的金属片将外壳直接接地。第三,仪表插孔,险丝置换孔,接收机插孔等,都需要加金属罩。第四,对于仪表安装孔,需要设法改善仪表的连续屏蔽,需在仪表的引线处加滤波器。1.4.3 孔缝的泄漏对于孔缝引起的电磁场泄漏原理可以用电路理论进行解释。从电磁场屏蔽的电路理论来看,当电磁波入射到屏蔽体上时,将会在屏蔽体上产生感生电流,感生电流又将会在其周围空间产生二次场。该二次场与原来场的方向相反,会在空间某些区域对原来的场产生抵消作用。但是如果在电流的流动方向上存在孔缝等破坏屏蔽体电连续性的结构,这些结构将迫使感生电流改变原先的流动方向,产生出的二次场方向也将随之改变,会消弱对原来场的抵消作用,未被感生电流抵消的电磁场将会在屏蔽体的另一侧缝隙处产生电压差,从而产生了泄漏电磁场,降低了屏蔽体的屏蔽效能。被改变方向的电流如果越大,将导致孔缝在垂直于电流流动方向的长度越长,使得屏蔽效能就会降低得越多。1.5 屏蔽的目的随着电子技术越来越发达,通信技术的发展和广泛应用,通信网络在不断的扩大。电磁干扰在信息的传递上会产生一定的影响。如何避免设备之间的电磁干扰,提高信息的传输质量,是通信设备制作过程中长期以来最注重的问题。金属箱在电磁干扰屏蔽中的作用重大,它不仅可以解决通信设备的外观包装、防尘、防水、支撑等问题,同时也是实现电磁屏蔽的关键所在。对金属箱的屏蔽顾名思义就是对两个空间区域之间进行金属的隔离,以控制电场、磁场、电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。具体而言就是用屏蔽体将元器件、电路、组合部件,电缆或系统的干扰源包围起来,防止干扰电磁场向外扩散,用屏蔽体将接收电路,设备或系统包围起来,防止它们受到外界电磁场的影响。因为屏蔽体对来自导线、电缆、元器件,电路或系统等外贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 5 页部的干扰电磁波和内部电磁波均起着吸收能量,反射能量和抵消能量的作用,所以屏蔽体具有减弱干扰的功能。对于金属箱的电磁屏蔽问题需要注意几点:第一,当干扰电磁场的频率较高时,利用低电阻率的金属材料中产生的涡流,形成对外来电磁波的抵消作用,从而达到屏蔽的效果。第二,当干扰电磁波的频率较低时,需要采用高导磁率的材料,从而使磁力线限制在屏蔽体内部,防止扩散到屏蔽的空间去。第三,在某些场合下,如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的屏蔽效果时,往往采用不同的金属材料组成多层屏蔽体。1.5.1 电磁干扰电磁干扰是指从电磁干扰源发射的电磁能量,经过某个途径耦合传输到敏感设备,使这个敏感设备受到干扰的过程。形成电磁干扰必须具备以下三个基本要素。第一,存在电磁干扰源某些自然现象或电装置产生的电磁波,对同一环境中的其它设备或系统造成不希望的电磁影响,导致其性能下降或功能失效。对其它设备产生这种影响或危害的自然现象或电装置称为电磁干扰源。第二,存在耦合途径耦合途径是电磁干扰信号传播的通路或媒介。第三,存在敏感设备敏感设备是指那些受到电磁干扰源发出的电磁影响时,性能下降或功能失效的器件、设备、子系统或系统等。一般情况下有许多设备、器件、子系统或系统可能既是电磁干扰源又是敏感设备。屏蔽则是解决电磁干扰的有效途径之一。屏蔽是用来减少电磁波向指定区域穿透的措施。因此,从一侧空间向另一侧空间传输的电磁波,由于屏蔽而受到抑制。这种抑制效果称为屏蔽效能,用分贝表示。如果设空间某点在没有屏蔽时的场强为 E0,屏蔽后该点的场强为 E1,于是得出屏蔽效能 S 为:(1-1)012lgE/屏蔽效能是频率和材料电磁参数的函数。另外,对于材料厚度和屏蔽体的连接对屏蔽效能也是有显著的影响。屏蔽是为了减少电磁辐射以及相应的电磁干扰,使设备具有更好的电磁兼容性。
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